这个问题可以从光与机械波的两个主要区别来分析:能量区别和频率区别
1. 光和声音(机械波)的频率和能量
大家很容易理解,光子的能量和机械波的能量不在一个数量级上,其实讨论单个光子的能量意义也不大,因为人类生活在地球自然环境中,人类最需要的就是我们感知到的自然光(来自太阳)和自然声音(60db左右),我们可以先考察一下太阳光能量随频率(波长)的分布情况:
可以看出机械波和电磁波的区别,太阳光谱中能量最高的部分,无论是在被大气吸收之前还是之后,恰好是我们视觉感知到的光谱部分(波长 380-750nm),我们可以据此定义这个频段。波长的不同带给我们的感觉也不同,这就是颜色的不同。
这当然不是偶然的,而是地球生物和环境数十亿年进化的结果。
地面上的阳光能量密度大约为每平方米1.3KW,但我们的眼睛一般不会直视太阳贝语网校,无法感知到整个光谱。
单位面积吸收的可见光能量强度的测量单位之一是照度(),家居环境的照度大约为300勒克斯,对于自然光来说,每瓦每平方米的能量密度对应的光通量大约为600勒克斯,据此我们可以粗略估算,自然环境中光的吸收能量密度(人眼接收到的)为2瓦每平方米。
考虑到人眼的结构特点,瞳孔面积会随着光线的强弱自动变化,瞳孔半径(Pupil 认为是圆形)通常在 1~3.5 mm 之间变化,自然光下瞳孔半径较小,所以为了简单起见,取值为 1mm。那么进入人眼的光功率就是 2×10^(-6)*1^2*3.14,约为 6×10^(-6)W,也就是自然光下眼睛接收到的光功率。这是日常生活中光线比较强的情况。
对于人耳来说,感受振动的主要机制是骨膜,但声音传播的介质不仅是空气,还有头骨、皮肤等。
人耳对不同频率的敏感度不同。
听觉的频率范围主要在20~20KHz之间,波长大约在17mm~17m之间,人耳能感知到的能量范围在10^(-12)~10瓦每平方米之间,一般情况下能量密度比光要高得多。
我们可能无法像定义光那样定义声音的最佳频率范围,但生物界,特别是主要生活在空气环境中的生物的听觉频率范围与人类相似,因此我们可以认为,人耳的听觉频率范围也是自然界声音中的最佳频率范围,是信息量最丰富的部分。
2. 光与声感知
由于光的功率太小,又具有极高的空间和时间分辨率,要充分感知其中的信息,人们需要很多细胞密集地分布在很小的区域内,通过快速的光化学反应,将光信号转换成神经信号。
人眼视网膜中感光细胞主要有两种:视杆细胞和视锥细胞[1]。视杆细胞约有1.2亿个,广泛分布在视网膜上,它们不能感知颜色,只能感知光线。在弱光条件下,视杆细胞是主要光源,所以我们在夜间无法看见颜色。视锥细胞只有700万到800万个,主要分布在视网膜最深处的敏感部位黄斑(中央凹)。并且对颜色敏感。根据对不同颜色(红、绿、蓝)的敏感程度,视锥细胞又可分为短波(S)、中波(M)、长波(L)视锥细胞三种。
视锥细胞最敏感的颜色分别是蓝色、绿色、红色,需要注意的是,各类视锥细胞也能感知其他颜色,只是相应的放电强度没有最敏感的颜色那么强,人类产生色彩感知的能力来自于三类视锥细胞对不同波长光发出的神经信号的差异,人类所能感知的所有颜色都可以用这三组信号的强度来表示。换句话说,RGB颜色的混合是人类大脑在处理视觉信息时人为混合出来的。
三原色是由人类的色彩视觉系统决定的,甚至不适用于其他动物(猫、狗等的感光器与人类不同)。我们可以用三原色混合其他颜色,因为我们的视觉系统无法区分其他颜色。物理学中没有颜色。不同颜色的光本质上是不同波长的电磁波。颜色是视觉系统进化而来的一种功能,用于识别自然界中的不同事物。
这种细胞结构、功能和分布为我们的视觉高空间分辨率提供了基础。
在时间分辨率方面,它依赖于极快的光化学反应。以视杆细胞为例:
其关键步骤为11-顺式视黄醛(11-cis-)在光照下异构化为全反式视黄醛(all-trans-),引起视紫红质构象发生改变,并引发神经冲动至大脑,从而产生视觉。
反应速度在10^(-12)秒(皮秒)数量级,为极高的视觉时间分辨率提供了基础。
从听觉上来说,由于声音的频率较低,所以我们不需要太高的空间分辨率和时间分辨率,我们对声音空间的感知是通过两耳听到声音的时间差来计算的,在时间分辨率上,组织得也非常粗糙。
感知听觉的最小器官是毛细胞,它随着声音(机械波)振动并转换成神经电位。您可以观看视频:毛细胞随着音乐跳舞:
总结:
我们感知的听觉和视觉范围已经进化了数亿年。这两个频率范围分别是自然界中光和声音信息最丰富的频率范围。
由于光与声的能量密度不同,它们能够引发的反应机制也不同,引发光化学反应只需要很少的能量,而引发细胞振动(毛细胞)则需要很大的能量。
光的频率较高,空间分辨率极高,这就要求视网膜上神经细胞的密度很高;声音的空间分辨率较低,因此不需要集中那么多细胞。
光的时间分辨率极高,只有光化学反应才能支撑;声音的时间分辨率低,细胞的振动就足够了
光的频率差异导致颜色感知,声音的频率差异导致音调感知的差异。但它们对一个人的重要性是不同的。颜色感知对于每个人的视觉理解都很重要,所以每个人都有较高的颜色视觉识别能力。音调对除了音乐家之外的大多数人的生存没有太大影响机械波和电磁波的区别,所以大多数人的音调识别能力很差。
视觉和听觉机构似乎都遵循着“足够”和“好用”的原则,用最少的资源达到最大的目的。
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